Стилизованную фигурку жирафа можно отнести к классу игрушек, которые известны как марионетки. История появления марионеток восходит к временам древнего Египта и античной Греции, уже тогда в театральных представлениях, использовались хитроумные куклы – марионетки – приводимые кукловодом в движение с помощью веревок, палочек из дерева или металлических проволок. Само название «марионетка» появилось гораздо позже, когда в средние века в народе очень любимыми были куклы, изображавшие Деву Марию, и котором нередко давались уменьшительные имена Marion, Mariotte, Mariolle и др. Существует также мнение, что это название куклы получили в Италии по имени кукольного мастера XVI века Мариони.
«Стойкий жираф» имеет весьма существенное отличие от традиционных марионеток. В театральных куклах большинство нитей обычно провисают свободно и во время представления, кукловод ведет сюжетную линию жизни куклы, натягивая те или иные из них. У игрушечного жирафа ноги и шея состоят из бусин, нанизанных на нити, которые постоянно натянуты сжатой пружиной, спрятанной в полом основании, и он, будучи предоставлен сам себе, всегда будет сохранять устойчивое положение.
Необычность и привлекательность игрушки состоит в том, что, если незаметно нажать большим пальцем на круглую пластину в основании, натяжение нити ослабляется, сжатые бусины освобождаются, и фигурка жирафа опадает, а убрав палец с пластины пружины можно его можно опять «оживить» и привести в устойчивое состояние.
С точки зрения физики игрушка интересна тем, что с ее помощью можно рассказать о статике, первом из трех главных разделов механики - той области физики, где изучаются общие законы движения (кинематика) и взаимодействия (динамика) материальных тел.
При изучении статики рассматривается действие различных сил на неподвижные твердые тела, наличие условий необходимых для сохранения такой неподвижности, а равновесие в поле гравитации. Двумя другими разделами механики являются кинематика, изучающая движение материальных тел без учета действующих на них сил, и динамика - основной и наиболее общий раздел механики, в котором изучается уже именно то, как именно силы заставляют двигаться материальные тела.
Все три раздела механики составляют основу теоретической механики - базового курса физики, с которого начинается изучение этой науки в высших научных заведениях. Боле подробно статика изучается в курсе высших учебных заведений - строительной механике, специальном предмете, обязательном для изучения будущими специалистами в области строительства. И здесь стоит вновь обратиться к нашей игрушке, у которой в кажущейся простоте скрыт принцип работы основного элемента всех современных зданий и сооружений - предварительно наряженных строительных конструкций.
Строительство – одна из древнейших сфер деятельности человека, таких как охота, собирательство, земледелие или войны. Всегда человеку нужно было иметь убежище от диких зверей, непогоды или враждебных племен. Первыми многочисленными и достаточно хорошо изученными искусственными жилыми сооружениями человек являются постройки раннего каменного века - палеолита, датируемые временем 50-24 тыс. лет до нашей эры. Это были сооружения типа шалашей или навесов над углубленной и выровненной почвой на равнинной местности. В гористых местах люди тогда жили чаще всего в естественных пещерах, стены которых, зачастую были украшены удивительно изящной наскальной живописью, о чем свидетельствуют многочисленные находки.
В среднем каменном веке – мезолите, уже появляются каменные постройки, древнейшей из которых считается храмовый комплекс Гобекли-Тепе, обнаруженный археологами при раскопках в современной Турции, недалеко от границы с Сирией возраст, которого оценивается примерно в 12 тысяч лет. Это строение, наряду с многочисленными погребальными сооружениями позднего каменного века - неолита, и эпохи бронзы, сегодня известны как мегалитические постройки. Сегодня неизменно вызывают удивление тем, как именно строились мегалиты - конструкции из очень больших каменных блоков, вес которых достигал 50 тонн и более. Все мегалитические постройки возводились из каменных блоков, никак не скрепленных между собой, и представляли собой единое целое лишь за счет собственного веса.
Следует заметить, что история затвердевающей при высыхании влажной смеси извести и глины насчитывает около 6-ти тысячелетий. Самый ранний из найденных археологами бетоноподобный материал возрастом около 5600 лет до н.э. был использован при устройстве пола толщиной около 25 сантиметров в хижине Придунайского поселка Лапенски Вир на территории современной Югославии. Выдающийся Римский зодчий Марк Витрувий Поллин (первая половина нашей эра, точные даты жизни и смерти не сохранились) оставил нам описание пуццоланового цемента, твердеющего под водой, и дал рекомендации о том, как его применять при строительстве бетонных причалов и морских дамб.
Обычный бетон представляет собой смесь связующего вещества песка и камня, в наши дни в качестве связующего обычно применяется портландцемент. В древнеримском бетоне это была смесь извести с истолченными порошками пемзы, керамики и пуццолана. Многие сооружения из древнеримского бетона сохранились до наших дней, так, например арочный купол знаменитого Пантеона, храма посвященного древнеримским богам восстановленного по указанию императора Траяна в 126 году после пожара случившегося в 110 году, причем это был уже второй после пожара в 80 году нашей эры.
Сегодня доподлинно неизвестно какими расчетами руководствовались античные архитекторы при возведении таких сложных в конструктивном отношении сооружений. Но все же сохранились отдельные письменные источники того времени с проектной документацией, где приводятся точные подсчеты времени строительства того или иного объекта, необходимых материалов, трудозатрат и денежных средств. В среде ученых существует точка зрения, согласной которой расчеты прочности античных купольных перекрытий, пролетов арочных мостов и акведуков и всех прочих элементов зданий и сооружений не проводились вовсе. Считается, что все постройки древней Греции и Рима были возведены исключительно благодаря интуиции, на практической базе метода проб и ошибок - конечно, не только своих, но многих предшествующих поколений - зодчих древнего Египта, Ассирии, Вавилона и более ранних цивилизаций. И все же существование определенного свода правил и математических расчетов геометрии сооружений, пусть и без расчета напряженных состояний материала построек, наверняка были уже и тогда.
Основоположником современной теоретической базы строительной механики сегодня считается Галилео Галилей (1564 -1642 г.г.), изучая изменение прочности морских судов при увеличении их размеров, он заложил основы новой для своего времени науки о сопротивлении материалов действующим нагрузкам. В конце 19 века была решена в основном главная задача строительной механики – строители научились точно рассчитывать внутренние усилия в любом элементе строительной конструкции и их возможные относительные смещения под нагрузкой. Это позволило широко развернуть строительство жилых и промышленных зданий, автомобильных и шоссейных дорог, мостов, плотин и других сложных инженерных сооружений.
Бурному росту строительной индустрии в огромной степени способствовало также применение нового строительного материала – железобетона, представляющего собой обычный бетон, армированный железными прутьями и проволокой. Обычный бетон плохо сопротивляется изгибающим нагрузкам и хорошо работает на сжатие, поэтому он обычно применятся в фундаментах, стенах, колонах и аналогичных строительных конструкциях. Хорошо растягиваемое железо позволяют бетону работать и на изгиб, это дает возможность изготавливать из него всевозможные фермы, перекрытия, балки и консоли.
Повсеместное и масштабное применение железобетона в начале 20-го столетия вызвало необходимость очередного их усовершенствования с тем, чтобы заставить воспринимать не только изгибающие нагрузки, но и работать на растяжение. Эту задачу позволило решить оригинальное изобретение - при изготовлении железобетонной конструкции в форму для заливки жидкой бетонной смеси укладываются стальные струны или арматурные стержни, натянутые специальным устройством и только потом укладывается бетонная смесь. После застывания бетона сила предварительного натяжения арматуры передаётся окружающему бетону, и он оказывается сжатым. Такое создание предварительно сжатой конструкции позволяет за счет ее растяжении в процессе эксплуатации намного снизить растягивающие усилия на бетон. Сегодня предварительно напряжённый железобетон повсеместно используется при возведении мостов, высотных зданий, защитных корпусов ядерных реакторов и строений в зонах с высокой опасностью землетрясений.
Возвращаюсь к игрушечному жирафу, можно легко заметить, что его вытянутый вверх силуэт имеет немалое внешнее сходство с устремленной в небо Останкинской телебашней в Москве, при этом жираф обладает устойчивостью благодаря одинаковому с телебашней конструктивному исполнению. Если, обеспечивая устойчивость жирафа, бусины его ног и шеи находятся в сжатом состоянии благодаря проходящим сквозь них натянутым пружиной нитям, то в телебашне сжимают ее железобетонную оболочку натянутые специальными механизмами стальные тросы общим числом 149 штук. Тросы симметрично располагаются внутри башни в 50-ти миллиметрах от железобетонного корпуса и обеспечивают суммарное усилие более 10 тысяч тонн. Такая конструкция телебашни высотой 540 метров и диаметром основания всего в 60,6 метра рассчитана на устойчивость при землетрясении даже в восемь баллов по шкале Рихтера и ураганном ветре со скоростью 44 метра в секунду.